模拟电子技术第7章　直流稳压电源

模拟电子技术第7章直流稳压电源7.1概述

输送到家庭、学校和实验室中的民用电源都是220V/50Hz的交流电，但是，迄今为止我们学习过的电子电路都是采用直流电源供电的，因此必须将220V/50Hz的交流电转换为低压直流电。

图7.1.1所示是一个计算机直流稳压电源的实物图。从图（a）中可以清楚地看到有一个接在市电网中的插座，而在图（b）中可见有一组线分接多个插头给计算机中主板、光驱、硬盘等硬件设备，供给直流工作电压。图7.1.1计算机直流电源实物图(a)计算机电源正面图；(b)计算机电源俯视图本章讨论如何把交流电源变换为直流稳压电源。如图7.1.2所示，一般直流电源由以下几部分组成。图7.1.2直流电源构成框图(1)电源变压器：可以将220V/50Hz的市电降压到整流电路所需要的数值。

（2）整流电路：将正负两个极性的交流电压转化为只有一个极性的脉动电压。它在电源电路中位于电源变压器之后，滤波电路之前。

（3）滤波电路：用于滤除脉动电压中所含有的交流成分，使之变成平滑的直流电压。它在电源电路中位于整流电路之后，稳压电路之前。

（4）稳压电路：使整流滤波电路输出不稳定的直流电压保持稳定，不受负载和输入电压变化的影响。7.2整流和滤波电路

所谓整流，就是利用二极管的单向导电特性，将具有正负两个极性的交流电压变换成只有一个极性的电压。整流后的单极性电压波动大，不够平滑。严格地说，这不是直流电压，所以需要利用滤波电路滤除交流成分得到比较平滑的直流电压。

整流电路有很多种，这里将讨论半波、全波和桥式整流电路。7.2.1半波整流电路

半波整流电路是电源电路中最简单的整流电路，电路中只使用一只二极管。根据电路结构的不同，可以得到正极性或负极性的单向脉动电压输出。电路如图7.2.1（a）所示。图中电源变压器T的初级和交流电网相连，其作用是将电网的交流电压变换（降低）成低压的正弦交流电压，一般为10～20V（指u2的有效值）。二极管VD用于整流，称为整流二极管。图7.2.1半波整流电路(a)半波整流电路；(b)电压、电流波形由图7.2.1（a）可知，变压器次级的感应电压为u2=U2msinωt=U2sinωt。由二极管的单向导电性可知，在交流电正半周期间，u2的电压方向为上正下负，VD处于正向偏置状态，VD导通，负载电流方向如图所示；在交流电负半周期间，u2的电压方向为上负下正，此时VD处于反向偏置状态，VD截止，负载电流为0，整流电路输出电压为0。在输入交流电压下一个周期期间，第二个正半周电压到来时，整流二极管再次导通，负半周电压到来时，整流二极管再次截止，如此不断导通、截止变化。这样在RL两端可以得到单向脉动电压uo，如图7.2.1（b）所示。半波整流电路输出电压的直流平均值为Uo=0.45U2。

在交流电负半周期间，整流二极管VD所承受的最大反向偏置电压UDrm为变压器次级输出电压u2的最大值，即UDrm=

U2。7.2.2全波整流电路

在半波整流电路中，u2正半周期间，二极管导通，负载电阻中有电流流过，u2负半周期间，二极管截止，负载电阻中没有电流。显然变压器次级的正弦交流电压只有半周被利用，另外半周被浪费掉了。那么将两个半波整流电路拼接起来，各自工作半周就产生了如图7.2.2（a）所示的全波整流电路。图7.2.2全波整流电路(a)电路图；(b)u2正半周；(c)u2负半周；(d)整流输出波形电路中电源变压器T的特点是次级线圈有一个抽头，且为中心抽头，将次级线圈一分为二，中心抽头接地。这样变压器次级线圈上可以得到两个大小相等相位相反的交流电压，它们分别加到整流管VD1、VD2上。当1端对地为正，2端对地为负时，VD1导通而VD2截止，如图7.2.2（b）所示，在RL上得到波形为半波的电压。当1端对地为负，2端对地为正时，VD1截止而VD2导通，如图7.2.2（c）所示，在RL上也可得到波形为半波的电压。这样，当交流电压变化一个周期时，在RL上产生两个半波电压脉冲，如图7.2.2（d）所示。所以这种电路叫全波整流电路。全波整流时每个整流管承受的最大反向电压均为UDrm=2U2m=2U2。

显然这时输出电压的波动比半波整流时小，而输出的直流分量比半波整流时大1倍。

全波整流电路输出电压的直流平均值为Uo=0.9U2。7.2.3桥式整流电路

桥式整流电路如图7.2.3（a）所示，4个整流二极管组成一个电桥，变压器次级线圈和RL分别接到电桥的两个对角线的两端。这里变压器没有中心抽头，其次级两端均不接地。桥式整流电路的工作原理可用图7.2.3（b）和（c）来说明。图7.2.3桥式整流电路(a)电路图；(b)u2正半周；(c)u2负半周当u2为正半周（1端为正，2端为负）时，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电流沿着图7.2.3（b）中虚线上箭头所指方向流过RL；而当u2为负半周（1端为负，2端为正）时，VD1、VD3截止，VD2、VD4导通，电流沿着图7.2.3（c）中虚线上箭头所指方向流过RL。可见，在输入信号的整个周期内，负载上得到的电流方向始终是自上而下的，整流输出波形是单向脉动波形，与图7.2.2（d）相同。由于在u2的两个半周中，流过RL的电流方向相同，因此桥式整流电路和全波整流电路的作用一样。同时桥式整流电路中每一个二极管所承受的最大反向电压就是变压器次级电压的幅值，比全波整流时小了一半，即UDrm=U2m=U2。桥式整流电路的优点是输出电压高，脉动系数小，每只整流二极管所承受的反向电压低，电源电压利用率高，因而整流效率也较高。目前，有很多集成化的整流桥堆（将4只整流二极管集成封装后并接出引线），如：RB151，RS402等，如图7.2.4所示，在工作中可根据需要选择使用。

桥式整流电路输出电压的直流平均值为Uo=0.9U2。图7.2.4集成化的整流桥堆(a)RB151；(b)RS4027.2.4滤波电路及其工作分析

由图7.1.2可以看出，通过整流电路得到的脉动电压虽然方向不变，但仍存在很大的波动。滤波电路的功能就是滤除脉动电压中的交流成分，使输出直流电压变得平滑。滤波电路是由储能元件电容或电感实现的。一般有如图7.2.5所示的几种形式的滤波电路，其中ui为滤波电路的输入电压，uo为输出电压。Γ型滤波和Π型滤波又称为复式滤波，兼有电容滤波的优点，但电路比较复杂、体积大、成本高，主要用于有特殊要求的直流稳压电路。这里只讨论电容滤波电路。图7.2.5滤波电路(a)电容滤波；(b)Γ型滤波；(c)∏型滤波整流输出电压是一个脉动的直流电压，因此需要在图7.2.3（a）所示电路的整流电路和负载RL之间插接一个滤波电路，形成如图7.2.6（a）所示桥式整流电容滤波电路。图7.2.6桥式整流滤波电路(a)电路图；(b)电容滤波输出电压波形电路的工作过程是这样的：在交流电刚接入之前，电容器C两端电压为0。在接入交流电后，当u2>0时，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，u2给电容器C充电，充电回路为1→VD1→3→C→4→VD3→2由于充电回路中电阻很小，充电速度快，uo迅速上升。当ωt=ωt1时，uo=u2，此后u2低于uo，二极管均截止，这时电容C通过RL放电，放电时间常数为RLC。由于RL较大，因此放电速度慢，uo=uC缓慢下降。当ωt=ωt2时，u2又变化到比uo高，此时二极管VD2、VD4导通，VD1、VD3截止，又开始下一轮充电过程。由于电容

C的储能作用，RL上的电压波动大大减小了，uo=uC，波形如图7.1.6（b）所示。其中实线为输出电压波形，虚线为桥式整流电路输出波形。从图中可以看出，经滤波后的输出电压uo比原整流电路的输出电压平滑得多，也就是说，脉动成分减少很多。即经电容器滤波后，输出电压平均值增加了。

表7.1给出了三种常用整流滤波电路的有载平均输出电压、整流管承受的最大反向电压和应用范围等电路特性。7.3稳压电路

交流电经过整流滤波可得到比较平滑的直流电，但当输入电网电压波动和负载变化时输出电压也将随之变化。因此，在要求稳定供电的设备中，需要一种稳压电路，使输出电压在电网波动、负载变化时基本稳定在某一数值。7.3.1稳压电路常用技术指标

稳压电源有以下几项主要技术指标。

1．特性指标

特性指标指表明稳压电源工作特征的参数，例如：输入、输出电压及输出电流，电压可调范围等。

2．质量指标

质量指标指衡量稳压电源稳定性能状况的参数，如稳压系数、输出电阻、纹波电压及温度系数等。具体含义简述如下。（1）稳压系数γ：指通过负载的电流和环境温度保持不变时，稳压电路输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量之比。即式中，UI为稳压电源输入直流电压，UO为稳压电源输出直流电压，γ数值越小，输出电压的稳定性越好。（7.3.1）（2）输出电阻rO：指当输入电压和环境温度不变时，输出电压的变化量与输出电流变化量之比，即（7.3.2）rO的值越小，带负载能力越强，对其它电路影响越小。

（3）纹波电压S：指稳压电路输出端中含有的交流分量，通常用有效值或峰值表示。S值越小越好。

（4）温度系数ST：指在UI和IO都不变的情况下，环境温度T变化所引起的输出电压的变化，即

（7.3.3）式中，ΔUO为漂移电压。ST越小，漂移越小，该稳压电路受温度影响越小。7.3.2硅稳压管稳压电路

1．电路结构

硅稳压管稳压电路如图7.3.1所示。由于硅稳压管VZ和负载RL并联，故称并联型稳压电路，R为限流电阻，硅稳压管VZ工作在反向击穿区。

由图7.3.1可知，

UO=UI－IRR=UZ

IR=IZ+IO

即输出电压是硅稳压管的稳压值UZ。图7.3.1硅稳压管稳压电路2．元件选择

1）稳压二极管的选择

稳压管的参数可按下式选取：

UZ=UO（7.3.4）

IZmax=(2~3)IOmax（7.3.5）

2）限流电阻的计算

稳压二极管稳压电路的稳压性能与稳压二极管击穿特

性的动态电阻有关，与限流电阻R的阻值大小有关。显然限流电阻R越大，较小IZ的变化就可引起足够大的UR变化，就可以达到较好的稳压效果。当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的电流最小。此时IZ不应小于IZmin，由此可计算出限流电阻的最大值，实际选用的限流电阻应小于最大值，即（7.3.6）当输入电压最大，负载电流最小时，流过稳压二极管的电流最大。此时IZ不应超过IZmax，由此可计算出限流电阻的最小值，即≤≥（7.3.7）则限流电阻应按下式确定：

Rmin≤R≤Rmax（7.3.8）稳压二极管在使用时一定要串联接入限流电阻，不能使它的功耗超过规定值，否则会造成损坏。7.3.3串联型直流稳压电路

硅稳压管稳压电路带负载能力太小，且输出电压不能调节，而串联型直流稳压电路能够克服上述缺点。

稳压电源是检测供给负载直流电压的变化，并自动稳定输出电压的一种反馈控制电路。串联型稳压电路组成框图如图7.3.2所示，它由以下几个部分组成：

（1）取样电路：对输出电压进行取样，实际上是通过与负载并联的电阻取出输出电压的一部分，用以检测输出电压的变化。（2）基准电压：产生一个温度稳定性很高的参考电压，它对整个稳压器输出直流电压的稳定起着十分重要的作用，常用的基准电压产生电路可用标准的稳压二极管，也可用具有温度补偿的基准电压产生电路。

（3）比较放大电路：将获得的基准电压与取样电路的输出电压进行比较，并将电压差值进行放大。

（4）调整电路：（也称控制电路）用已放大的电压差值信号去调整输出电压使其保持稳定。图7.3.2串联型稳压电路组成框图由分离元件构成的串联型稳压电路如图7.3.3所示。图7.3.3串联型稳压电路取样电路由R3、R4和R5组成。如果输出电压出现增大或减小时，取样电路通过分压得到的UB2的数值将会随输出电压增大或减小。

基准电压由工作在反向状态的稳压二极管VZ产生。

比较放大电路也称做误差放大电路，将基准电压UZ与取样电压进行比较（相减），并将差值放大，这个差值又称做误差电压。

被放大后的误差电压送给调整电路，控制调整元件VT1（又称调整管）两端的电压降，以达到稳定输出电压的目的。调整管VT1串接于输入电压和输出电压之间。由于调整管工作在大信号的功率放大状态，因此实际的串联型稳压电路还包括有保护电路，以防止调整管过载、过压或过热时损坏。

图7.3.3所示的串联型稳压电路的输出电压是可调整的，输出范围的计算方法如下：

UB2=UBE2+UZ

若滑动触头在R4的最上端，则若滑动触头在R4的最下端，则由此可以得到输出电压的范围7.3.4线性集成稳压器及其应用

目前在电子设备中广泛应用的是集成稳压器。三端式集成稳压器由于其性能好、体积小、可靠性高，使用简单方便，且成本也较低，因而是目前线性直流稳压电路中的主要器件。

固定输出电压的三端式集成稳压器内部组成框图如图7.3.4所示。它由启动电路、基准电压、调整电路、比较放大电路、保护电路和取样电路六大部分组成。图7.3.4三端式集成稳压器内部组成框图固定输出电压的三端式集成稳压器的保护电路包括过流保护、过热保护和安全工作区保护电路。过流保护可防止稳压器在输出端短路时其内部调整管电流过大，使调整管散耗功率过大而造成损坏。另外，长时间大电流工作还会使稳压器芯片温度升高，造成芯片损坏，因此，其内部设有过热保护电路。安全工作区保护电路的作用是为了防止调整管二次击穿而损坏。为了保证稳压器输入端接入电压后，顺利建立起稳定的输出电压，稳压器内部还设有启动电路。1．固定式三端集成稳压电源

78XX/79XX系列是使用极为广泛的一类串联集成稳压器，其特点是输出电压为固定值。这类稳压器只有输入、输出、公共端三个端子，其引脚和封装形式如图7.3.5所示，图示两种封装形式分别为TO-3（铝壳封装）和TO-220（塑料封装），使用时不需要外加任何控制电路和器件。它的电路连接十分简单，根据输入、输出直流电压的极性，可分为固定正电压输出和固定负电压输出两大系列，它们分别用代号78XX和79XX表示。按输出电压的大小分为5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七种规格，符号中的“78”代表输出正电压，“79”代表输出负电压，“XX”代表输出电压的大小。例如：7809输出电压为正9V，7924则是输出电压为负24V。78LXX/79LXX中的输出电流为100mA，78MXX/79MXX的输出电流为500mA，78XX/79XX的输出电流为1.5A。图7.3.5LM78/79系列三端式集成稳压器引脚(a)LM78系列的封装形式；(b)LM79系列的封装形式对于78XX/79XX系列稳压器，只要输入和输出之间的电压差大于要求值（一般实际使用中为2～3V），这两种稳压器就可以正常工作。例如，7815的输入电压是18V，或7915的输入电压是负18V时，它们分别可以稳定地输出+15V或－15V直流电压。如果电压差低于要求值时，稳压性能会变差。

78XX/79XX系列三端式集成稳压器部分极限参数如表7.2所示。所有参数是以0.22μF的输入滤波电容和0.11μF的输出滤波电容为标准测量的，当滤波电容或电路变化时参数值也会变化。

用三端式集成稳压器件，可以方便地设计出线性直流稳压电源的稳压输出部分，78XX、79XX集成稳压器的典型应用电路如图7.3.6所示。其中UI是整流滤波电路的输出电压，UO是稳压电路输出电压。图7.3.6固定式三端稳压器典型应用当用电设备需要正、负两组电压输出时，可将78XX系列和同规格的79XX配合使用，其电路如图7.3.7所示。从图中可以看出，正负电源分别接固定输出基本稳压电路，但具有公共接地端。变压器和整流滤波电路由两个电源共用，且变压器次级端用中心抽头接地。图7.3.7同时输出正、负两组电压的电路2．可调式三端集成稳压电源

LM117/317是美国国家半导体公司生产的可调式三端集成稳压器，是使用较广泛的一类串联集成稳压器。

我国和世界各大集成电路生产商均有同类产品可供选用。它的内部设置有全过载保护电路，包括限流热过载保护和调整管保护功能，仅需两个外接电阻来设置输出电压，使用非常方便。LM117输出为正电压，LM317输出为负电压，它们的输出电压从1.25～37V（或－1.25～－37V）连续可调，最大输出电流为1.5A。它们的外形如图7.3.8（a）所示，封装形式依次为：TO-220（塑料封装）、TO-202（塑料封装）、TO-3（金属封装）和TO-39（金属封装），图7.3.8（b）所示为LM117和LM317的引脚图。

LM117/317系列三端式集成稳压器极限参数如表7.3

所示。图7.3.8LM117/317系列三端式集成稳压器(a)外形；(b)引脚对于TO-39和TO-202，最大电流有100mA和500mA两种。对于TO-3和TO-220，最大电流为1.5A，TO-3耗散功率最好限制在20W。

LM117和LM317典型应用电路如图7.3.9所示。

图7.3.9（a）所示电路的输出电压为当R取240Ω，RW为5kΩ电位器时，输出电压的调节范围为1.25～25V。输入电容C1用于改善电路的瞬态响应，因此它常常用在精密稳压电路中。（7.3.9）图7.3.9LM117/317的典型应用电路(a)LM117典型应用；(b)LM317典型应用图7.3.9（b）所示为LM317的典型应用电路，其输出电压为（7.3.10）图7.3.10所示是一个三端可调集成稳压器的应用电路，图中1为调整端，2为输入端，3为输出端。C2用于消除高频自激并减小纹波电压，C3用于消除高频噪声。Rw与R1组成输出电压UO的调整电路，调节Rw即可调整输出电压的大小。图7.3.10完整的直流稳压电源电路使用三端集成稳压器时应注意以下几点：

（1）三端稳压器输入电压大小要适当，否则，当电网电压过高或过低时，会损坏稳压器或使其不能正常工作。应保证稳压器输入电压高于输出电压2～3V。

（2）稳压器引脚不能接错，接地端不能悬空，否则易损坏稳压器。

（3）当三端稳压器输出端滤波电容较大时，一旦输入端开路，如图7.3.10所示，C2将从稳压器输出端向稳压器放电，易使稳压器损坏。因此，可在稳压器的输入、输出之间跨接一个保护二极管。7.4开关型稳压电源简介

线性稳压器具有稳定性好、动态响应快、波纹小、

干扰小、稳压性能好和电路简单等优点，但是调整管必须工作在线性区，当负载电流较大时，调整管的功耗很大（集电极损耗PC=UCEIC），电路的转换效率较低，一般在40％～60％，且要安装散热器，这样会增加整个电源的体积和重量。所以，在通信设备的整机供电系统中一般不采用线性稳压电路。开关稳压电源（SMR）正是为克服上述缺点而发展起来的一种直流稳压器。它的效率高、体积小、重量轻、便于集成。开关稳压电源电路中的调整管工作在开关状态，即饱和状态和截止状态。由于管子饱和时的管压降UCES和截止时的穿透电流ICEO均很小，管耗主要发生在两种状态的转换过程中，故可大大提高稳压器的效率，一般可达80%～90%。它的另一个优点是通用性很强，通过改变电路的结构，可以构成降压型、升压型和反极性型等多种稳压电路。所以，现代电子系统中的大功率稳压电源多采用开关稳压电路。1．开关稳压电源的分类

按产生方波脉冲控制信号可分为自激式、他激式和同步式；

按功率开关器件可分为三极管开关电源、功率MOS管开关电源（开关频率大于100kHz）和晶闸管开关电源（大功率开关电源）；

按控制方式可分为脉宽调制开关电源、脉冲频率调制开关电源和谐振式开关电源；

按输出电压可分为降压型、升压型、反相型和变压器型。2．开关稳压电路结构框图

开关稳压电路如图7.4.1所示，除了与普通的串联稳压电路相同的部分外，原来的调整管更换为开关调整管，并增加了开关控制器和续流滤波等电路，新增部分的功能如下。

（1）开关调整管：在开关脉冲的作用下，使调整管工作在饱和和截止状态，输出断续的脉冲电压。开关调整管采用大功率管。

（2）滤波器：把矩形脉冲电压变成连续的平滑直流电压UO。

（3）开关时间控制器：控制开关管导通时间的长短，从而改变输出电压的高低。图7.4.1开关稳压电源结构框图3．集成开关稳压器应用举例

美国MICREL公司采用“SuperβPNP”技术，推出了新系列的低压差开关稳压器。这些低压差线性稳压器压差低、输出稳压精度很高、输出电压有固定电压和输出可调等两种形式、封装形式多样、外围电路简单且使用方便。

MIC4680采用贴片式的SOP-8封装，引脚如图7.4.2所示。

其中SHDN为稳压器使能端，一般SHDN端电压小于1V，稳压器工作时，一旦SHDN端电压大于1.6V，稳压器就会关断。图7.4.2MIC4680引脚图SW为开关功率管输出端，是内部NPN开关管的发射极。FB为反馈输入端，对于固定输出，分压电阻已经集成在芯片内部，只需将该端接输出即可。对于可调输出接分压电阻网络。

MIC4680的外围电路非常简单，典型应用电路只需要两个电容、一个电阻（可调时为两个电阻）、一个电感和一个快速恢复肖特基二极管5个元件，典型应用电路如图7.4.3所示。图7.4.3MIC4680的典型应用(a)固定电压输出稳压电路；(b)可调电压输出稳压电路图（a）为固定电压输出稳压电路，图（b）为可调电压输出稳压电路，输出电压为

式中，UREF=1.23V。7.5稳压电源的仿真实验

1．桥式整流滤波电路

桥式整流滤波电路如图7.5.1所示。

（1）观察输入信号和输出信号波形的变化，并将测量的输出电压值与计算出的输出电压值进行比较；

（2）断开滤波电容，观测输出电压信号的变化，并分析原因；

（3）改变滤波电容C1的值，分别取100μF、500μF、1000μF，观测输出波形，试分析原因；

（4）将电路中的任意一个二极管断开，观测输出电压信号的变化，试分析原因。图7.5.1桥式整流滤波电路*2．串联型稳压电路

串联型稳压电路如图7.5.2所示。

（1）观察输入信号和输出信号波形的变化，并测量电路的输出电压；

（2）如果要将该电路改为输出可调的稳压电路，应做怎样的变化？图7.5.2串联型稳压电路本章小结

稳压电源的种类很多。它们一般由变压器、整流、滤波和稳压电路等四部分组成，输出电压不受电网、负载及温度变化的影响，为各种精密电子仪表和家用电器正常工作提供能源保证。

（1）无论何种类型的稳压电源，都必须输出稳定的电压。稳压电源的主要技术指标包括特性指标和质量指标，它们从不同角度反映稳压电源的工作特征。

（2）硅稳压管稳压电路利用硅稳压管的稳压特性来实现负载两端电压稳定。这种电路只适用于输出电流较小、输出电压固定、稳压要求不高的场合。（3）串联型稳压电源由于带有负反馈放大环节，故输出电压稳定且在一定范围内可调，输出电流较大，但效率不高。

（4）三端稳压器既有固定式和输出可调式，又有正电压输出和负电压输出，使用方便，性能稳定。

（5）开关电源的调整管工作在开关状态。它具有体积小、效率高、稳压范围宽的优点。但它高频泄漏较大，对周围电路有影响。习题

7-1填空题。

（1）直流稳压电源一般由_____、_____、_____和_____组成。

（2）稳压电源的主要技术指标包括_____和_____。

（3）纹波电压是指_____。

（4）图7.3.3中R4的作用是_____，R2的作用是_____，VT1的作用是_____。（5）串联型稳压电源是由_____、_____、_____、_____四部分组成的，其输出电压调整范围表达式是_____。

（6）78XX系列三端稳压器各脚功能是：1脚_____，2脚_____，3脚_____。

（7）LM3